可逆變流裝置的設(shè)計

1、武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院信息工程課程設(shè)計報告書課 程 名 稱 電力電子技術(shù)課程設(shè)計 課程設(shè)計總評成績 學(xué)生姓名、學(xué) 號 黃標(biāo) 10212411322 學(xué) 生 專 業(yè) 班級 自動化1113 指 導(dǎo) 教 師 姓名 李莉 課程設(shè)計起止日期 2014、1、62014、1、10一、課程設(shè)計項目名稱 可逆變流裝置的設(shè)計2、 項目設(shè)計目的及技術(shù)要求設(shè)計目的設(shè)計可以實現(xiàn)四象限運行的可逆變流裝置的主電路及其控制保護電路技術(shù)要求及初始條件1直流電動機負(fù)載，電動機額定參數(shù)為：40KW，440V，104 ，1000/min，電樞電阻Ra0.3，電流過載倍數(shù)1.5， 2.進線交流電源：三相380V3.性能要求：直流輸出電壓

2、0-440V，最大輸出電流156A，保證電流連續(xù)的最小電流為10A，采用三相橋式反并聯(lián)可逆線路，電機可實現(xiàn)四象限運行。4. 三相橋式反并聯(lián)可逆線路設(shè)計（包括整流變壓器參數(shù)計算，整流元件定額的選擇，平波電抗器電感量的計算等）,討論晶閘管電路對電網(wǎng)及系統(tǒng)功率因數(shù)的影響。5.觸發(fā)電路設(shè)計。觸發(fā)電路選型（可使用集成觸發(fā)器），同步信號的定相等。6.晶閘管的過電壓保護與過電流保護電路設(shè)計。7.提供系統(tǒng)電路圖紙不少于一張。三、項目設(shè)計方案論證(可行性方案、最佳方案、軟件程序、硬件電路原理圖和PCB圖)3.1主電路設(shè)計設(shè)計要求使用三相橋式反并聯(lián)可逆線路，來實現(xiàn)電機的四象限運行，其線路如圖所示，通過控制正向組V

3、R和反向組VF的各個晶閘管的開通和關(guān)斷來控制電機使其四象限運行。變壓器采用Y連接方式，從而得到零線，且可以避免3次諧波流入電網(wǎng)。所謂電機的四象限運行是指以電動機的轉(zhuǎn)速為縱坐標(biāo)軸，以電動機的電磁轉(zhuǎn)矩為橫坐標(biāo)軸建立直角坐標(biāo)系，用來描述電動機的四種運行狀態(tài)，即正向電動，回饋發(fā)電制動，反接制動，以及反向電動運行狀態(tài)。四種狀態(tài)的機械特性曲線分別位于直角坐標(biāo)系的四個象限。 第一象限對應(yīng)正向電動狀態(tài)，此時正向組工作于整流狀態(tài)，電機作為電動機運行，變流裝置輸出電壓和負(fù)載電流方向如圖所示。 第二象限對應(yīng)回饋制動狀態(tài)，此時反向組工作于逆變狀態(tài)，電機作為發(fā)電機運行，變流裝置輸出電壓和負(fù)載電流方向如圖所示。 第三象限

4、對應(yīng)反向電動運行狀態(tài)，此時反向組工作于整流狀態(tài)，電機作為電動機運行，變流裝置輸出電壓和負(fù)載電流方向如圖所示。 第四象限對應(yīng)接向制動狀態(tài)，此時正向組工作于逆變狀態(tài)，電機作為發(fā)電機運行，變流裝置輸出電壓和負(fù)載電流方向如圖3-5所示。3.2 變壓器的額定容量的計算和選擇 在理想情況下，三向橋式整流電路變壓器二次側(cè)相電壓2E與最大整流直流電壓Ud max的關(guān)系是：Ud max=2.34E2在可逆系統(tǒng)中由于有最小逆變角限制的問題，因此：Ud max=2.34E2cosmin在理想情況下，Ud max等于電動機額定電壓UVT，但實際中會受到各種影響，包括：（1） 電網(wǎng)電壓波動所造成的影響。電網(wǎng)電

5、壓不是在所有情況下都等于標(biāo)準(zhǔn)電壓值的, 而是由一定的波動，即大部分時間內(nèi)是小于或者大于標(biāo)準(zhǔn)電壓值的。（2）（3） 晶閘管的管壓降UVT。當(dāng)晶閘管導(dǎo)通時其正向壓降不為零，設(shè)其為UVT。在本次使用的三相全控橋反并聯(lián)電路中總的晶閘管管壓降為2UVT（4） 整流變壓器內(nèi)阻的影響。變壓器電阻也會對Ud max產(chǎn)生影響。 在考慮這幾種影響的情況下，Ud max應(yīng)該等于電動機額定電壓UN加上晶閘管的管壓降2UVT，另外考慮整流變壓器內(nèi)阻壓降及電網(wǎng)電壓波動，通常還需要再增加(10%15%)。取UVT=1V，最小逆變角min=30o ，因此：Ud max=1.1（UN+2UVT）=486.2V所以：由

6、于帶有平波電抗器，所以變壓器二次側(cè)的電流波形為正負(fù)對稱的矩形波，如圖所示?？煞纸獬苫ㄅc各次諧波。由于沒有直流分量，因此它們都可以通過變壓器的磁耦合反映到一次繞組中去。因此21ii和的波形基本相同。變壓器二次側(cè)電流的有效值為：=84.9A一次側(cè)和二次容量均為S=3E1I1=3E2I2=61.1KW二次側(cè)線電壓為U2 =415.7V為考慮到工作負(fù)荷不會過重，并且變壓器也容許一定過載，所以選取一臺額定功率為61KW，/YD連接，U1=380V，U2=415V，I1=95A，I2=85A，的變壓器3.3 晶閘管的選擇流過晶閘管的電流的有效值為：晶閘管的額定電流：晶閘管承受的最大反向電壓為：

7、晶閘管額定電流為：選擇額定電流為A60，額定電流為V1500的晶閘管作為整流器件。3.4平波電抗器的選擇為了保證穩(wěn)定運行時電流波形的連續(xù)，控制直流電流斷續(xù)范圍，在電樞回路中設(shè)置了平波電抗器。電動機電樞電感限制輸出電流脈動的電感量所以，平波電抗器的實際電感量為3.5 晶閘管對電網(wǎng)和功率因數(shù)的影響 由于在電路中接有平波電抗器，所以負(fù)載電流時連續(xù)的，其工作時電壓和電流的波形和感性負(fù)載類似，所以可以按照感性負(fù)載來討論功率因數(shù)。則交流側(cè)電抗為零，直流電感L為足夠大。電流中僅含6k+1(k為正整數(shù))次諧波，各次諧波有效值與諧波次數(shù)成反比，且與基波有效值的比值為諧波次數(shù)的倒數(shù)，基波因數(shù)為電流基波與

8、電壓的相位差仍為，故位移因數(shù)仍為功率因數(shù)即為3.6 觸發(fā)電路的設(shè)計3.6.1觸發(fā)電路的選型晶閘管觸發(fā)電路的作用是產(chǎn)生符合要求的門極觸發(fā)脈沖，保證晶閘管在需要的時刻由阻斷變?yōu)閷?dǎo)通。 晶閘管觸發(fā)電路應(yīng)該滿足下列要求： (1)觸發(fā)脈沖的寬度應(yīng)該保證晶閘管可靠導(dǎo)通。對感性和反電動勢負(fù)載的變流器應(yīng)采用寬脈沖和脈沖列觸發(fā)，三相全控橋式變流器的觸發(fā)脈沖應(yīng)寬于°60或采用相隔°60的雙窄脈沖。 (2)觸發(fā)脈沖應(yīng)有足夠的幅度(3)所提供的觸發(fā)脈沖應(yīng)不超過晶閘管門極的電壓、電流和功率額定，且在門極伏安特性的可靠觸發(fā)區(qū)域內(nèi)。 (4)應(yīng)有良好的抗干

9、擾性能、溫度穩(wěn)定性及與主電路的電氣隔離。 集成電路的可靠性高，技術(shù)性能好，體積小，功耗低，調(diào)試方便。晶閘管觸發(fā)電路的集成化已逐漸普及，在這里選用KJ系類。  KJ004的電路原理圖如圖4-1所示。該電路由同步檢測電路、鋸齒波形成電路、偏形電壓、移相電壓及鋸齒波電壓綜合比較放大電路和功率放大電路四部分組成。電路原理為：鋸齒波的斜率決定于外接電阻R6、RW1，流出的充電電流和積分電容C1的數(shù)值。對不同的移相控制電壓VY，只有改變權(quán)電阻R1、R2的比例，調(diào)節(jié)相應(yīng)的偏移電壓VP。同時調(diào)整鋸齒波斜率電位器RW1，可以使不同的移相控制電壓獲得整個移相范圍。觸發(fā)電路為正極性型，即移相電壓

10、增加，導(dǎo)通角增大。R7和C2形成微分電路，改變R7和 C2的值，可獲得不同的脈寬輸出。KJ004的同步電壓為任意值。 可控硅移相觸發(fā)器KJ004電路適用于單相、三相全控橋式供電裝置中，作可控硅的雙路脈沖移相觸發(fā)。電參數(shù)如下。 電源電壓：直流+15V，-l5V，允許波動±5(±10功能正常)。 電源電流：正電流15mA，負(fù)電流10mA。 同步電壓：任意值。 同步輸入端允許最大同步電流：6mA(有效值)。移相范圍：l70°(同步電壓30V，同步輸人電阻15k)。 鋸齒波幅度：1OV(幅度以鋸齒波出現(xiàn)平頂為準(zhǔn))

11、。 輸出脈沖： a脈沖寬度：10s2ms(改變脈寬電容達到)。 b脈沖幅度：>13V。 c.最大輸出能力：KJ004為l00mA(流出脈沖電流)。KJ004A為10mA。 d輸出反壓：BVceol8V(測試條件：Iel00A)。正負(fù)半周脈沖相位不均衡度±3°。 使用環(huán)境溫度為四級： C：070 R：-5585 E：-4085 M：-55125 KJ004(KJ004A)KJ004電路原理圖采用雙列直插l6腳封裝，其引腳圖如圖 各個引腳功能： 1、15

12、輸出 ；2、6、10空 ；3、4鋸齒波形成； 5-Vee（1k）； 7地； 8同步輸入 ；9綜合比較 ；11、12微分阻容； 13、14封鎖調(diào)制 ；16 +Vcc KJ041是六路雙脈沖形成器，其內(nèi)部是由12個二極管構(gòu)成的六個或門。 用三個KJ004集成塊和一個KJ041集成塊，即可形成六路雙脈沖，再由六個晶體管進行脈沖放大，即構(gòu)成完整的三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路，如圖三相全控橋整流電路的集成觸發(fā)電路 本次采用兩組晶閘管反并聯(lián)組成的=工作制的有環(huán)流系統(tǒng)，它用同一個控制電壓su去控

13、制兩組觸發(fā)裝置，正組觸發(fā)裝置 GTF由Uc直接控制，而反組觸發(fā)裝置 GTR由-Uc控制，是經(jīng)過放大系數(shù)為-1的反向器后得到的。使始終與相等，兩組晶閘管輸出電壓相等。3.6.2觸發(fā)電路的定相向晶閘管整流電路供電的交流側(cè)電源通常來自電網(wǎng)，電網(wǎng)的頻率不是固定不變的，而是會在允許內(nèi)有一定的波動。觸發(fā)電路除了應(yīng)當(dāng)保證工作頻率與主電路交流電源的頻率一致外，還應(yīng)保證每個晶閘管觸發(fā)脈沖與施加于晶閘管的交流電壓保持固定、正確的相位關(guān)系，這就是觸發(fā)電路的定相。為保證觸發(fā)電路和主電路頻率一致，利用一個同步變壓器，將一次側(cè)接入為主電路供電的電網(wǎng)，由其二次側(cè)提供同步電壓信號，這樣，由同步電壓決定的觸

14、發(fā)脈沖頻率與主電路晶閘管電壓頻率始終是一致的。接下來就是觸發(fā)電路的定相，即選擇同步電壓信號的相位，以保證觸發(fā)脈沖相位正確。觸發(fā)電路的定相由多方面的因素確定，主要包括相控電路的主電路結(jié)構(gòu)、觸發(fā)電路結(jié)構(gòu)等觸發(fā)電路定相的關(guān)鍵是確定同步信號與晶閘管陽極電壓的關(guān)系。主電路電壓與同步電壓的關(guān)系如圖所示三相全控橋中主電路電壓與同步電壓關(guān)系示意圖 對于晶閘管VT1，其陽極與交流側(cè)電壓Ua相接，可簡單表示為VT1所接主電路電壓為+Ua，VT1的觸發(fā)脈沖從0 o至180o的范圍為wt1wt2。采用鋸齒波同步的觸發(fā)電路時，同步信號負(fù)半周的起點對應(yīng)于鋸齒波的起點，通常使鋸齒波的上升段為240o，上

15、升段起始的30o和終了的30o線性度不好，舍去不用，使用中間的180o。鋸齒波的中點與同步信號300o位置對應(yīng)。 三相橋整流器大量用于直流電動機調(diào)速系統(tǒng)，且通常要求可實現(xiàn)再生制動，使Ud=0的觸發(fā)角a為90o。當(dāng)90o時為整流工作，90o時為逆變工作。將=90o確定為鋸齒波的中點，鋸齒波向前、向后各有90o的移相范圍。于是=90o與同步電壓的300o對應(yīng)，也就是=0o與同步電壓的210o對應(yīng)。 對于其它五個晶閘管，也存在同樣的對應(yīng)關(guān)系，即同步電壓應(yīng)滯后于主電路電壓180o。對于共陽極組的VT4、VT6和VT2，它們的陰極分別與Ua、Ub和Uc相連，可得簡單表示它們的主電路電

16、壓分別為-Ua、-Ub和-Uc。3.7晶閘管的過電壓保護與過電流保護電路設(shè)計3.7.1晶閘管的過電壓保護 晶閘管的過電壓能力比一般的電器元件差，當(dāng)它承受超過反向擊穿電壓時，也會被反向擊穿而損壞。如果正向電壓超過管子的正向轉(zhuǎn)折電壓，會造成晶閘管硬開通，不僅使電路工作失常，且多次硬開關(guān)也會損壞管子。因此必須抑制晶閘管可能出現(xiàn)的過電壓，常采用簡單有效的過電壓保護措施。  對于晶閘管的過電壓保護可參考主電路的過電壓保護，我們使用阻容保護如圖阻容保護電路3.7.2晶閘管的過電流保護在整流中造成晶閘管過電流的主要原因是：電網(wǎng)電壓波動太大負(fù)載超過允許值，電路中管子誤導(dǎo)通以及管子擊穿短路等。所以我們

17、要設(shè)置保護措施，以避免損害管子。常見的過電流保護有：快速熔斷器保護，過電流繼電器保護，限流與脈沖移相保護，直流快速開關(guān)過電流保護?？焖偃蹟嗥鞅Ｗo是最有效，使用最廣泛的一種保護措施；快速熔斷器的接法有三種：橋臂串快熔，這是一種最直接可靠的保護；交流側(cè)快熔，直流側(cè)快熔，這兩種保護接法雖然簡單，但保護效果不好。過電流繼電器保護中過電流繼電器開關(guān)時間長（約幾百毫秒）只有在短路電流不大時才有用。限流與脈沖移相保護電路保護比較復(fù)雜。直流快速開關(guān)過電流保護功能很好，但造價高，體積大，不宜采用。總結(jié)的結(jié)果：最佳方案是選用快速熔斷器保護，并采用橋臂串快熔接法，如圖所示。四、項目設(shè)計結(jié)果分析（分析試驗過程中獲得的

18、數(shù)據(jù)、波形、現(xiàn)象或問題的正確性和必然性，分析產(chǎn)生不正確結(jié)果的原因和處理方法）系統(tǒng)原理和環(huán)流分析 本次設(shè)計的系統(tǒng)為兩組晶閘管反并聯(lián)組成的=工作制的有環(huán)流系統(tǒng)系統(tǒng)原理=工作制觸發(fā)脈沖的具體實施為用一個控制電壓Uc控制I、兩組變流橋的控制角，使它們同步的向相反的方向變化。 1=2=90o ， 電動機轉(zhuǎn)速為零；1=2 90o ；2=190o（1）正向組進入整流狀態(tài)，交流電源供能，電機正轉(zhuǎn)電動運行 反向組雖可以有輸出電壓Ud2，但因不滿足|EM|Ud2|而沒有逆變電流，稱這種狀態(tài)為待逆變狀態(tài)。（2） 正向組待整流反向組輸出電壓Ud，此時滿足|EM|Ud2|，所以反向組處于逆變狀態(tài)，此時，電機正

19、轉(zhuǎn)運行于回饋制動狀態(tài)1=2 90o ；2=190o，此時（1） 正向組輸出電壓Ud，此時滿足|EM|Ud2|，正向組處于逆變狀態(tài)，發(fā)向組處于待整流狀態(tài)，電機處于反接制動狀態(tài)，電能回送電網(wǎng)。（2） 正向組輸出電壓Ud，此時不滿足|EM|Ud2|，正向組處于待逆變狀態(tài)，發(fā)向組處于整流狀態(tài)，電機處于反向電動運行狀態(tài)，交流電源供能環(huán)流分析電路中的環(huán)流是指只在兩組變流器之間流動而不經(jīng)過負(fù)載的電流。橋式電路有兩個環(huán)流回路環(huán)流一般不作有用功，環(huán)流產(chǎn)生的損耗可使電器元件發(fā)熱，甚至還會造成短路事故，因此必須設(shè)法使變流裝置不產(chǎn)生環(huán)流。    =配合控制的有環(huán)流可逆系統(tǒng)，對正

20、、反兩組變流器同時輸入觸發(fā)脈沖，并嚴(yán)格保證=的配合控制關(guān)系，假設(shè)正組為整流，反組為逆變，即有1=2，Ud1=Ud2，且極性相抵，兩組變流器之間沒有直流環(huán)流。 但兩組變流器的輸出電壓瞬時值不等，會產(chǎn)生脈動環(huán)流。所以應(yīng)串入環(huán)流電抗器LC限制環(huán)流。 一個回路要有兩只環(huán)流電抗器，因為其中一只會流過負(fù)載電流而飽和，從而起不到抑制環(huán)流的作用。心得體會本次課程設(shè)計的題目有一定的難度，有很多知識是上課的時候沒有學(xué)到的，需要去查閱資料學(xué)習(xí)。 本次的課程設(shè)計包括以下幾個方面。 首先，對主電路所需的變壓器，晶閘管和平波電抗器等進行了參數(shù)的計算和選擇，在課堂上，我們學(xué)到的都是理論知識，在計算時是按照理想情況進行的。但是，在一個實際的系統(tǒng)中，是會有各種各樣的影響因素需要考慮的。所以，在進行參數(shù)計算時要先理清有什么影響因素，然后按照實際的公式進行計算。 然后，對觸發(fā)電路進行了設(shè)計。本次使用的是由KJ004和KJ041組成的三相全控橋觸